PIC16LF874單片機在電容測量模塊中的應用

電容式傳感器已廣泛應用于工業(yè)、醫(yī)學、軍事等領城。但目前大部分電容測量方法集成化水平低、精度低，因而對電容特別是對微小電容的精確測量始終是一個很重要的內(nèi)容。振蕩法電路結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力差，板間內(nèi)電容影響測量結(jié)果;電橋法利用電橋平衡原理測量電容，測量結(jié)果受橋臂電容性能影響較大。本文用到美國Micmchip公司PICl6LF874單片機，該單片機采用RISC精簡指令集、哈佛總線結(jié)構(gòu)、流水線指令方式，具有抗干擾能力強、功耗低、高性能、價格低等特性。

1 PIC16LF874單片機

PIC16系列單片機采用精簡指令集(Reduced InSTructiON Set Computer，RISC)結(jié)構(gòu)，突破了傳統(tǒng)單片機對PC機在結(jié)構(gòu)上存在的自然依賴性;加上哈佛總線的存儲器結(jié)構(gòu)、兩級流水線指令結(jié)構(gòu)、單周期指令等技術(shù)，從而在單片機硬件結(jié)構(gòu)上獨辟蹊徑，大大提高了系統(tǒng)運行的效率。除此之外，針對單片機機應用的特點，從功耗、驅(qū)動能力、外圍模塊設計等方面，PIC單片機也有一些獨到之處，從而使得PIC成為一款方便實用的高性價比的單片機。

PIC16LF874系列單片機包括一系列不同型號的器件。主要特點有：

1)精簡指令集技術(shù) PIC指令系統(tǒng)是專門根據(jù)小型機特點設計的，力求每一條指令達到更高的效率，減少指令功能的重復。高中低檔的門PIC單片機指令數(shù)分別為58條、35條和 33條。這就帶來了兩方面的好處，一方面可以使代碼的利用率大大提高，有利于提高執(zhí)行速度。另一方面給用戶學習、記憶和應用帶來了極大的好處，編程和調(diào)試相對就更加容易，而且同樣的功能所需的編碼減少，節(jié)約了開發(fā)時間。

2)哈佛(Harvard)總線結(jié)構(gòu) 哈佛結(jié)構(gòu)是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器獨立編址，即兩者位于不同的物理空間。PIC系列單片機不僅采用哈佛體系結(jié)構(gòu)，而且采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，從而充分發(fā)揮了哈佛結(jié)構(gòu)的潛在優(yōu)勢。大大提升了系統(tǒng)的運行效率和數(shù)據(jù)可靠性。

3)單字節(jié)指令 單字節(jié)指令對單片機系統(tǒng)是革新性的變化。高中低檔的PIC單片機的指令位數(shù)分別為16位、14位、12位。ROM和RAM的尋址相對獨立，所有的指令實現(xiàn)了單字節(jié)化，不僅使數(shù)據(jù)的存取更加安全，其運行速度也得到了顯著的提高。

4)兩級流水線指令結(jié)構(gòu) 由于采用了哈佛總線結(jié)構(gòu)，在器件內(nèi)部將數(shù)據(jù)總線和指令總線分離，并且采用了不同的總線寬度。當一條指令被執(zhí)行時，下一條指令同時被取出，使得在每個時鐘周期可以獲得更高的效率。

5)寄存器組結(jié)構(gòu) PIC的所有寄存器，包括I/O端口、定時器和程序計數(shù)器等都采用RAM結(jié)構(gòu)形式，并且只需要一個指令周期就可以完成訪問和操作。

6)一次性可編程(OTP)技術(shù) OTP可以實現(xiàn)產(chǎn)品上市零等待(Zero time to market)，并且可以根據(jù)用戶定制，滿足特定需要。產(chǎn)品定制可以顯著提高產(chǎn)品的生命周期，增強產(chǎn)品的市場競爭力。

7)功耗低 供電電壓為2.0～5.5V，當使用4 MHz晶振，供電電壓為3V時，耗電電流典型值不超過6 mA：當用32 kHz晶振，供電電壓力3 V時，耗電電流典型值為20 mA，睡眠模式耗電電流更是低于lμA。

8)品種齊全、方便選擇 PIC系列單片機目前已形成具有高、中、低3檔共50多種型號的龐大家族，功能靈活多樣，能適應多種應用場合的不同需要。

2 電容測量模塊工作原理

電容測量模塊總體設計原理框圖如圖l所示，包括電源管理電路、PICl6LF874單片機、電容式傳感器、信號調(diào)理電路、PS021電容數(shù)字轉(zhuǎn)化器以及與計算機連接的接口電路。

圖1 電容測量模塊原理圖

電容測量模塊工作原理為：電容式傳感器輸出微弱的電容信號，電容信號通過信號調(diào)理電路。進入PS02l型電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器，該器件的測量電容測量范嗣從0到幾十nF(無限制)，經(jīng)過器件內(nèi)部轉(zhuǎn)換，通過對PS02l內(nèi)部寄存器的設置，得到需要的值;通過SPI把數(shù)據(jù)傳送到PICl6LF-874單片機，測得的數(shù)據(jù)再通過單片機異步串行通信接口USART送到上位機(計算機)，最后由上位機應用程序來顯示測量結(jié)果以及保存測試數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)硬件連接

本測量電路需要控制器件來控制數(shù)據(jù)的讀取和寫入，選用結(jié)構(gòu)簡單，功能強大，并且兼容SPI串行接口的PICl6LF874單片機。由于PS02l的外圍接口是SPI，因此單片機能很好的控制PS02l工作，同時測量數(shù)據(jù)可以通過USART串行接口送入到上位機中。單片機的連接如圖2所示，PS02l的連接圖如圖3所示。

圖2 PIC16LF874單片機的連線

圖3 PSO21測量電容連線

4 系統(tǒng)軟件功能的實現(xiàn)

基于PS021設計的應用軟件包括檢測、控制、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)庫管理和系統(tǒng)界面等程序。在程序運行速度和存儲容量許可的條件下，盡量用軟件實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)的硬件功能，簡化硬件配置。此外，界面是測試系統(tǒng)和虛擬儀器的“窗口”，是系統(tǒng)顯示功能信息的主要途徑。軟件設計不僅要實現(xiàn)功能，而且要界面美觀。在確定測試系統(tǒng)的硬件平臺后，關鍵是選擇合適的軟件開發(fā)工具編寫相應的應用軟件。以圖形化編程語言開發(fā)該測試模塊。該開發(fā)環(huán)境能提供一個集成的開發(fā)環(huán)境，與儀器硬件連接方便，具有良好的用戶界面。根據(jù)上位機應用程序設計的原理，得到測試系統(tǒng)的軟件，通過在軟件的主界面設置一些參數(shù)，硬件電路和上位機相連，就能顯示測量結(jié)果。測量結(jié)果在數(shù)據(jù)顯示界面顯示，如圖4所示。

圖4 測量數(shù)據(jù)顯示頁面

5 試驗與結(jié)果

運用上述軟件測量。在測量之前，必須對測量系統(tǒng)進行標定，標定時PS02l要求參考電容Cref與被測電容Cmeas在同一電容值范圍，即確保 Cmeas/Cref比率不會超過25%(PS02l的極限值)。參考電容是一個非常重要的部分，對于測量的質(zhì)量以及測量的溫度穩(wěn)定性有直接的影響。推薦的電容材料：CFCAP(太陽誘電Taiyo Yuden公司的多層陶瓷電容)系列，COG或者NPO陶瓷電容。放電電阻Rdis與放電時間密切相關，放電時間τ=0.7R(C+20 pF)，時間常數(shù)τ范圍為2～10μs(推薦5μs)。根據(jù)公式計算之放電電阻阻值。

試驗中，分別選取1、2、3、5.1、6.8、8.2、9.1、12、13、15、16.5、18 pF的固定電容作為被測電容。根據(jù)被測電容的范圍確定參考電容的大小，然后根據(jù)被測電容和參考電容值，并結(jié)合放電時間來確定放電電阻阻值，最后選擇適當?shù)臏y量模式進行測量。在標定好的系統(tǒng)下，在參考端和被測端分別接一只參考電容，此時在數(shù)據(jù)顯示界面顯示的值為參考電容值以及寄生電容值的和(圖3中 Sensor l顯示的數(shù)據(jù));然后在被測端參考電容的基礎上再并聯(lián)被測電容，此時測得的數(shù)據(jù)為被測電容值、參考電容值以及寄生電容值的總和，以上兩步所測值相減就是被測的電容值，最后得到的被測電容值統(tǒng)計如表l所示。